Integratie van informatica-onderdelen in het natuurkunde onderwys op bovenbouw havo en vwo

Tijdschrift voor Didactiek der B-wetenschappen 8 (1990) nr.2

121

Integratie van informatica-onderdelen in het natuurkunde onderwys op bovenbouw havo en vwo C . de Beurs, A . L . E l l e r m e i j e r en R . H e i j e l e r Didaktiek Natuurkunde Universiteit van Amsterdam

Summary In this article we describe a study on the design of a course in which aspects of information technology are integrated in the physics curriculum of the upper level in secondary schools (havo/vwo) in the Netherlands. The main purpose of our study was to obtain a consensus of opinion between people involved in physics education about possible objectives, contents and contexts. As a result of this study we developed blue-prints for a course 'Process Automation ' (age 16) and a course 'Computer Applications in Physics' (age 17/18). We will present both the outline and the results of our study. 1. Inleiding T e c h n i e k speelt een b e l a n g r i j k e r o l i n de maatschappij; met name geldt dat voor de informatietechniek. In onze complexe s a m e n l e v i n g r a k e n mensen en h u n organisaties meer en meer afhankelijk v a n de opslag, de v e r w e r k i n g en het transport v a n grote hoeveelheden gegevens. N i e t alleen i n industrie en w e t e n schap, maar ook i n huishoudens en de directe woonomgeving van elke staatsburger dringen de produkten van de i n f o r m a t i e t e c h nologie steeds verder op. D e opvatting dat ook i n het algemeen v o r m e n d o n d e r w i j s aan deze o n t w i k k e l i n g e n aandacht moet worden besteed is inmiddels gemeengoed geworden. De afdeling D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e van de U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m is sinds 1982 actief op het terrein van geautomatiseerd meten en besturen. E r v a r i n g met het computergebruik i n het n a t u u r k u n d i g practicum riep na enige t i j d de vraag op o f wellicht ook aandacht zou moeten worden besteed aan b a s i s p r i n cipes v a n geautomatiseerd meten en regelen i n het bovenbouw natuurkundeprogramma. D i t leidde er vervolgens toe dat i n 1984

122

Informatica-onderdelen

een o n d e r z o e k w e r d gestart naar mogelijke leerdoelen op het gebied van m i c r o - e l e k t r o n i c a en computerondersteund meten. O n d e r i n v l o e d van het i n f o r m a t i c a - s t i m u l e r i n g s b e l e i d van de o v e r h e i d zou later de aanvankelijke vraagstelling worden v e r breed tot mogelijke inpassing v a n informatica-aspecten i n het natuurkunde-onderwijs. D e a a n z e t hiertoe w e r d gegeven i n de nota ' A a n v u l l e n d B e l e i d s k a d e r ' ( P S O I - r e e k s nr. 12, 1986), w a a r i n de o o r s p r o n k e l i j k e l i j n v a n de i n t r o d u c t i e van i n f o r m a t i c a als een apart eindexamenvak i n het onderwijs w e r d verlaten. M e n k w a m i n de genoemde nota (blz. 21) onder andere tot de volgende conclusie: ' E l e m e n t e n van informatietechnologie zullen i n elk geval moeten w o r d e n opgenomen i n de eindexamenprogramma's voor de v a k k e n w i s k u n d e A , natuurkunde en "bedrijfseconomie", t e r w i j l verder d i t aspect de aandacht heeft i n de o n t w i k k e l i n g v a n het e x perimentele eindexamenvak maatschappijleer'. In dit kader en op basis van het genoemde onderzoek wordt sinds maart 1987 gewerkt aan de o n t w i k k e l i n g van v o o r b e e l d lesmateriaal, eerst b i n n e n het I T N - 2 project (project I n f o r m a t i e technologie Toegepast i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s ) en m o m e n teel b i n n e n P R I N T - k a d e r s . D e z e o n t w i k k e l i n g k w a m i n een stroomversnelling door een verzoek van de staatssecretaris (april 1987) aan de W E N o m een onderdeel 'Fysische Informatica' op te nemen i n het nieuwe eindexamenprogramma voor havo en v w o . In dit a r t i k e l bespreken we de opzet en de uitkomsten van het d o e l s t e l l i n g e n o n d e r z o e k dat ook ten grondslag lag aan de u i t e i n d e l i j k e leerstoflijst die door de Werkgroep E x a m e n p r o g r a m ma's N a t u u r k u n d e (de W E N ) is voorgesteld. H e t hierna te bespreken onderzoek w e r d begin 1987 afgesloten. De uitkomsten van een evaluatie-onderzoek dat gericht was op de ervaringen met een eerste versie voorbeeldlesmateriaal voor klas 4 havo en klas 4 v w o zullen later w o r d e n g e p u b l i ceerd. 2. De onderzoeksopzet D e centrale onderzoeksvraag was: welke relevante elementen van de moderne informatietechnologie (IT) dienen te worden g e ï n t e greerd i n het N a t u u r k u n d e p r o g r a m m a voor de bovenbouw h a v o / vwo. U i t e r a a r d is deze vraag niet op basis van een louter i n h o u d e l i j k e analyse van het leerstofgebied te beantwoorden. U i t w e r k i n g

De Beurs e.a.

123

van de vraagstelling vooronderstelt op een gegeven moment een keuze en de l e g i t i m e r i n g v a n inhouden op basis van maatschapp e l i j k e relevantie en het belang van het onderwerp vanuit de natuurkunde als v a k d i s c i p l i n e . H o o f d d o e l was daarom te k o m e n tot een consensus onder deskundigen omtrent de i n h o u d v a n een d e e l - c u r r i c u l u m waarin relevante elementen v a n I T aan de orde k o m e n . O o r s p r o n k e l i j k w e r d daarbij gedacht aan een lessenserie met een omvang van ongeveer 15 lessen. E e n praktisch probleem b i j de v a l i d e r i n g van gemaakte k e u zen was dat w e i n i g deskundigen te v i n d e n z i j n met zowel k e n nis ervaring op het gebied van de experimentele fysica en de toegepaste i n f o r m a t i c a als ervaring met het onderwijs aan de doelgroep ( h a v o / v w o - l e e r l i n g e n ) . M e t het oog hierop hebben we gekozen voor een gefaseerde aanpak, waarbij de consultatie v a n i n h o u d s d e s k u n d i g e n v ó ó r a f diende te gaan aan de consultatie v a n de o n d e r w i j s d e s k u n d i g e n . H i e r d o o r was het m o g e l i j k de laatste groep te c o n f r o n t e r e n met v r i j concreet u i t g e w e r k t e alternieven, met daarbij de i n h o u d e l i j k e analyse v a n het leerstofgebied en een verantwoording van de gemaakte keuzen. B i j de p l a n n i n g v a n het onderzoek is gekozen voor een opzet i n vier fasen. We bespreken hierna eerst kort de gevolgde onderzoeksopzet o m vervolgens verslag te doen van de belangrijkste o n t w i k k e l i n g e n per fase. I. Oriëntatie op mogelijke inhouden en leerdoelen. De o r i ë n t a t i e f a s e geeft een eerste afbakening v a n het leerstofgebied door de beantwoording v a n vragen als: - Wat verstaat we onder informatietechnologie? E e n begripsafbakening. - Wat z i j n de mogelijke r a a k v l a k k e n tussen I T en N a t u u r k u n d e ? - O p welke w i j z e n worden op d i t moment aspecten van I T i n het n a t u u r k u n d e c u r r i c u l u m vormgegeven? A n t w o o r d op deze vragen wordt gevonden door: het bestuderen v a n literatuur en het verzamelen van relevant lesmateriaal uit het nederlandse natuurkunde-onderwijs en buitenlands lesmateriaal. II. Inhoudelijke analyse van het leerstofgebied. N a een eerste afbakening tijdens de o r i ë n t a t i e f a s e is een nadere ordening en analyse nodig, o m een samenhangend beeld te v e r k r i j g e n van de mogelijke inhouden van het nieuwe leerstofge-

124


b i e d . E e n keuze v a n gewenste l e e r i n h o u d e n k a n v e r v o l g e n s p l a a t s v i n d e n o p g r o n d v a n veronderstelde m a a t s c h a p p e l i j k e relevantie en relevantie voor het vak natuurkunde. V a l i d e r i n g v a n de g e m a a k t e k e u z e n is m o g e l i j k d o o r c o n s u l t a t i e v a n inhoudsdeskundigen. H e t gaat hierbij vooral o m een toetsing v a n de v o l l e d i g h e i d en de relevantie van de analyse, ook met het oog op de te verwachten o n t w i k k e l i n g e n i n de komende 10 a 20 jaar. D i t leidt tot de volgende deelfasering. 1. H e t m a k e n v a n een i n h o u d e l i j k e analyse v a n het leerstofgebied. 2. E e n eerste afbakening v a n het leerstofgebied. 3. V a l i d e r i n g v a n het ontwerp en de voorlopige keuzen door automatiseringsdeskundigen. Z o n o d i g bijstelling v a n ontwerp en keuzen. III. Consultatie van onderwijsdeskundigen. Waar i n de fasen I en II de nadruk ligt op het verzamelen en ordenen van inhouden, dienen i n deze fase definitieve keuzen gemaakt te worden. H e t gaat h i e r b i j ondermeer o m de vaststell i n g van globale leerdoelen en de keuze v a n geschikte contexten. O m een verantwoorde afweging door onderwijsdeskundigen m o g e l i j k te m a k e n w o r d t een discussiestuk opgesteld w a a r i n alternatieve curriculumvoorstellen z i j n uitgewerkt en keuzemogel i j k h e d e n g e m o t i v e e r d worden. Consultatie v a n onderwijsdesk u n d i g e n dient tenslotte gegevens op te leveren ten behoeve v a n het d e f i n i t i e v e c u r r i c u l u m o n t w e r p . D i t leidt tot de volgende deelfasering. 1. F o r m u l e r i n g v a n globale doelstellingen en een keuze v a n c o n texten. 2. U i t w e r k i n g v a n enkele c u r r i c u l u m v o o r s t e l l e n op basis van gemaakte keuzen. 3. H e t v o o r l e g g e n v a n v o o r s t e l l e n en k e u z e n aan een brede g r o e p v a n p e r s o n e n u i t het ( n a t u u r k u n d e ) o n d e r w i j s v e l d : leraren natuurkunde h a v o / v w o , v a k d i d a c t i c i , leden v a n n a tuurkunde commissies en docenten van vervolgopleidingen. IV. Ontwerp en legitimering van een blauwdruk. O p basis van de gegevens u i t de voorgaande fasen wordt t e n slotte een definitieve b l a u w d r u k voor een lessenserie ontworpen. D e l e g i t i m e r i n g moet verkregen worden door d i t e i n d p r o d u k t voor te leggen aan de i n fase III geraadpleegde onderwijsdes-

De Beurs e.a.

125

k u n d i g e n en - i n verband met de informatica-aspecten - aan informaticadeskundigen uit het o n d e r w i j s v e l d . Z o n o d i g wordt de b l a u w d r u k aan het e i n d van deze fase nog bijgesteld. 3. De ontwikkelingen per fase Fase I: Oriëntatie op mogelijke inhouden en leerdoelen In deze fase hebben we getracht begrippen te verhelderen en een beeld te k r i j g e n van de r a a k v l a k k e n v a n de i n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e met de n a t u u r k u n d e . O o k is g e k e k e n naar relevant lesmateriaal i n N e d e r l a n d en i n het buitenland. We geven een samenvatting van onze bevindingen. a. Informatica - Informatietechnologie De volgende definitie v a n Informatica wordt gegeven door het N N I ( N e d e r l a n d s N o r m a l i s a t i e Instituut): ' H e t v a k g e b i e d dat zowel het verschijnsel informatie bestudeert i n relatie tot i n f o r matiesystemen als het v e r w e r k e n , overdragen en g e b r u i k e n v a n i n f o r m a t i e ; i n h o o f d z a a k , maar niet n o o d z a k e l i j k e r w i j z e , met computers en telecommunicatiesystemen'. E e n belangrijk aandachtsgebied voor de i n f o r m a t i c a is dus de verwerking, de overdracht en het gebruik van informatie i n i n f o r m a t i e s y s t e m e n . O n d e r i n f o r m a t i e s y s t e e m w o r d t veelal een (abstracte) eenheid v a n gegevensverwerking verstaan, waarvan de functies k u n n e n worden weergegeven met het schema v a n f i g u u r 1 (Winkler Prins, 1977). Volgens de beschrijving i n W i n k l e r Prins bestaat 'het informatiesysteem uit een verzameling m i n o f meer permanente gegevens (ervaring) plus de functies d i e w a a r n e m i n gen kunnen omzetten i n boodschappen en informatie'. Gegevensverwerking k a n , maar behoeft niet met behulp v a n computers te geschieden. D e uitvoer van een informatiesysteem k a n b o o d s c h a p p e n ( d . m . v . signalen) bevatten voor technische objecten (bijv. b i j procesbesturing), maar ook informatie bestemd voor de mens (bijv. b i j meetsystemen). H o e w e l het begrip i n f o r matiesysteem naar een groot aantal toepassingsvelden (bijv. ook documentatie-informatiesystemen) verwijst, z i j n voor onze v r a a g stelling vooral informatiesystemen i n technische en natuurwetenschappelijke toepassingen van belang. A l s dragers v a n d i t soort informatiesystemen kunnen dan een breed scala v a n automatische meet- en regelsystemen genoemd worden. Indien we technische h u l p m i d d e l e n en technieken aanduiden die gebruikt w o r d e n b i j informatiesystemen komen we op het terrein v a n de informatie


126

F i g u u r 1: O p b o u w van het informatiesysteem

O P B O U W V A N H E T INFORMATIESYSTEEM

^ distribueren

V vergeten

technologie. O n d e r (nieuwe) informatietechnologie (IT) zullen we hierna, aansluitend b i j de N N I - d e f i n i t i e voor i n f o r m a t i c a , v e r staan ( P l o m p , 1985): "Het deelgebied van de toegepaste i n f o r matica dat zich bezig houdt met de kennis over (het toepassen van) methoden, technieken en technische h u l p m i d d e l e n voor de v e r w e r k i n g , de overdracht en het gebruik van informatie". H e t gaat h i e r b i j i n feite o m alles wat samenhangt met m e t h o den en m i d d e l e n die z i j n ontstaan door o n t w i k k e l i n g e n en toepassingen uit verschillende vakgebieden (o.a. m i c r o - e l e k t r o n i c a , o p t i c a , cybernetica, i n f o r m a t i c a en dergelijke). B i j het zoeken naar relevante elementen v a n I T die voor integratie i n aanmerk i n g k o m e n , l i j k e n vooral de volgende twee toepassingsvelden v a n belang: a u t o m a t i s e r i n g en c o m m u n i c a t i e t e c h n i e k . V a n u i t i n f o r m a t i c a - i n v a l s h o e k zal de aandacht vooral gericht z i j n op methoden en technieken b i j het v e r w e r v e n , vastleggen, v e r w e r ken en verstrekken/overdragen v a n gegevens. A u t o m a t i s e r i n g is het overdragen van taken van de mens (waarnemen, gegevensv e r w e r k i n g en handelen) aan technische objecten en berust op mechanisatie en automatische gegevensverwerking. C o m m u n i c a t i e b e t e k e n t volgens v a n D a l e (uitgave 1984): (gelegenheid tot) uitwisseling van gedachten. V i a communicatiesystemen w o r d t de overdracht van gegevens verzorgt.

De Beurs e.a.

127

b. Raakvlakken tussen IT en natuurkunde D e vraag naar de r a a k v l a k k e n tussen natuurkunde en I T is i n p r i n c i p e op te splitsen i n twee deelvragen. 1. Welke deelgebieden v a n de natuurkunde hebben de o n t w i k k e lingen op het gebied v a n informatietechnologie i n belangrijke mate b e ï n v l o e d ? 2. H o e h e b b e n i n f o r m a t i e - t e c h n o l o g i s c h e o n t w i k k e l i n g e n het natuurwetenschappelijk onderzoek b e ï n v l o e d ? D e i n v l o e d v a n de n a t u u r k u n d e o p de i n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e wordt met name gekenmerkt door de vooruitgang op het gebied van de halfgeleidertechnologie, wat ondermeer geresulteerd heeft i n de centrale betekenis van de m i c r o - e l e k t r o n i c a voor de automatisering en voor de o n t w i k k e l i n g v a n communicatiesystemen. We denken h i e r b i j vooral aan de opkomst van de transistor, I C ' s , maar b i j v o o r b e e l d ook aan de toepassing van de halfgeleiderlaser i n de glasvezeltechniek. B i j toepassingen van I T neemt de elektronica op d i t moment een centrale plaats i n vanwege het feit dat gegevensverwerking i n hoofdzaak plaats v i n d t door m i d d e l van elektronische componenten. H i e r m e e samenhangend fungeren e l e k t r i s c h e s i g n a l e n tot n o g toe als voornaamste i n f o r m a t i e dragers i n automatische meet- en regelsystemen en i n c o m m u n i catiesystemen. In de toekomst z a l w e l l i c h t een v e r s c h u i v i n g plaats v i n d e n i n de r i c h t i n g van optische technieken. We c o n c l u deren dat de toepassing v a n elektronica (meer dan optica) i n automatische systemen de belangrijkste bijdrage vormt v a n de natuurkunde aan de o n t w i k k e l i n g e n op het terrein van de i n f o r matietechnologie. D e beschikbaarheid van gegevensverwerkende apparatuur en bijbehorende software-instrumenten heeft de p r a k t i j k van het n a t u u r w e t e n s c h a p p e l i j k onderzoek beslissend veranderd. D o o r g e b r u i k m a k i n g van hardware- en software-instrumenten - als dragers v a n i n f o r m a t i e s y s t e m e n - b i j natuurwetenschappelijk onderzoek z i j n experimenten mogelijk die voorheen o n d o e n l i j k w a r e n ( b i j v . het deeltjesonderzoek i n C E R N ) , maar dat niet a l l e e n . E r komen steeds betere mogelijkheden ter b e s c h i k k i n g voor numeriek experimenteren met modellen, voor toetsing v a n modeluitkomsten aan experimentele gegevens en voor h e r l e i d i n g v a n i n f o r m a t i e i n voor de onderzoeker bruikbare v o r m . Deze h u l p m i d d e l e n zorgen ervoor dat men b i j wetenschappelijk o n d e r zoek i n allerlei opzichten trefzekerder, sneller en g e m a k k e l i j k e r te werk k a n gaan (Rademaker, 1982).

128


In het rapport ' N a t u u r k u n d e i n N e d e r l a n d , overzicht en v o o r u i t zicht' v a n de V e r k e n n i n g s C o m m i s s i e N a t u u r k u n d i g Onderzoek ( V o l g e r , 1984) wordt natuurkundige i n f o r m a t i c a , naast de fysica van instrumenten en theoretische natuurkunde, é é n v a n de drie d w a r s v e r b i n d i n g e n o v e r de v e r s c h i l l e n d e subdisciplines i n de natuurkunde genoemd. Volgens de commissie is natuurkundige i n f o r m a t i c a een essentieel nieuwe tak i n de natuurkunde, welke sterk moet w o r d e n gestimuleerd. S a m e n v a t t e n d o n d e r s c h e i d e n we twee soorten toepassingen van computers b i j natuurwetenschappelijk onderzoek. 1. D e on-line (aan het experiment gekoppelde) toepassing v a n de computer b i j fysische experimenten. E e n belangrijk deelgebied v a n de o n - l i n e toepassingen is de zogenaamde r e a l - t i m e p r o c e s s i n g , w a a r b i j tijdens het meten de meetgegevens al voor een deel verwerkt w o r d e n . 2. D e off-line (niet gekoppelde) toepassing v a n de computer b i j het v e r w e r k e n v a n gegevens en het w e r k e n met modellen ( H a m a n n , 1983). Deze laatste activiteiten w o r d e n w e l a a n geduid met de term computational physics. N a deze analyse v a n de r a a k v l a k k e n geven we een korte b e s c h r i j v i n g van relevante o n t w i k k e l i n g e n i n b i n n e n - en b u i t e n l a n d , waar gepoogd is elementen van I T te integreren i n het n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . Naast literatuurstudie z i j n tekstboeken voor leerlingen bestudeerd o m na te gaan welke aspecten van I T daarin aan de orde k o m e n . c. Relevant lesmateriaal uit binnen- en buitenland In de meeste Nederlandse natuurkundemethoden ( h a v o / v w o ) was (1984) nog niets opgenomen uit bovengenoemd gebied. E e n u i t zondering v o r m d e n de twee experimentele P L O N - t h e m a ' s " E l e k tronica" voor 5 havo en "Automatisering" voor 4 en 5 v w o . H e t P i o n - t h e m a E l e k t r o n i c a bestrijkt een gebied v a n toepassingen v a n elektronische schakelingen b i j communicatie en a u t o m a t i s e r i n g . H e t bleek (de K l e r k , 1984) dat l e e r l i n g e n een grote interesse v e r t o n e n v o o r e l e k t r o n i c a - o n d e r w e r p e n en i n ieder geval b i j het havo een voorkeur vertonen voor 'proeven doen' en 'schakelingen' bouwen. In het v w o w e r d deze voorkeur alleen b i j jongens geconstateerd. I n het v w o - t h e m a A u t o m a t i s e r i n g staat ook de elektronica centraal, maar hier komen aspecten v a n g e g e v e n s v e r w e r v i n g en v e r w e r k i n g i n meet- en regelsystemen n a d r u k k e l i j k e r aan de orde d a n b i j het havo-thema. O p v a l l e n d is

De Beurs e.a.

129

dat het thema n a u w e l i j k s uitgewerkte voorbeelden bevat v a n computergebruik b i j automatische systemen ( H o g e n b i r k , 1987). V o o r z o v e r i n het buitenland pogingen z i j n ondernomen elementen v a n I T te integreren i n de natuurkunde was de aandacht vooral gericht op elektronica. U i t e r a a r d werden i n verschillende l a n d e n computers plaatselijk ingezet b i j het n a t u u r k u n d e p r a c t i c u m , maar het ging dan veelal o m g e ï s o l e e r d e experimenten w a a r b i j v o o r a l de f y s i c a e n n i e t z o z e e r de m e t h o d e v a n i n f o r m a t i e v e r w e r v i n g en - v e r w e r k i n g centraal stond. I n v e r s c h i l lende D u i t s e deelstaten werden elektronische schakelingen ( o p a m p , transistor) b i j natuurkunde behandeld, echter meestal geheel los van contexten als automatisering o f communicatie. In het c u r r i c u l u m voor natuurkunde (Burger, 1984) v a n het Tnstitut f ü r d i e Padagogik der Naturwissenschaften ' ( I P N ) w e r d v o o r g e s t e l d het o n d e r w e r p analoge en d i g i t a l e t e c h n i e k e n v o o r slechts een deel van de leerlingen (leerjaar 9/10) te reserveren (hobby, beroepsvoorbereiding) en voor alle leerlingen de a a n dacht te richten op de maatschappelijke gevolgen van de t e c h nologische o n t w i k k e l i n g . De belangrijkste o n t w i k k e l i n g e n met een d u i d e l i j k T T - o o g merk' speelden zich i n Engeland af. Daar maakte elektronica al langere t i j d deel uit v a n het natuurkundeprogramma b i n n e n de verschillende 'examination boards'. D e vraag o f elektronica b i j natuurkunde, dan w e l b i j het vak techniek ( C D T - C r a f t , Design a n d T e c h n o l o g y ) t h u i s h o o r t , is h i e r lange t i j d (sinds 1980) onderwerp van discussie geweest (Wester, 1986; Bevis, e.a., 1985). E e n neveneffect van deze discussie was het ontstaan van een s t r o m i n g d i e voor een systeembenadering (eerst het complete systeem, dan de samenstellende onderdelen) pleitte b i j de behandeling van elektronica (Geddes, 1984). E e n dergelijke benadering z o u beter passen b i j korte inleidende cursussen, motiverender v o o r l e e r l i n g e n z i j n en een u i t s t e k e n d startpunt bieden voor verdere v e r d i e p i n g . D e belangrijkste impuls voor l e e r p l a n o n t w i k keling op het gebied van m i c r o - e l e k t r o n i c a en i n f o r m a t i e t e c h nologie k w a m tenslotte van het M E P - p r o j e c t (het M i c r o - e l e c t r o nics E d u c a t i o n Programme, een stimuleringsproject). D e h o o f d d o e l s t e l l i n g v a n d i t project was: "to help educators become better able to prepare c h i l d r e n for life i n a society i n w h i c h devices a n d systems based o n m i c r o e l e c t r o n i c s are becoming c o m m o n p l a c e a n d pervasive" ( B e v i s & Page, 1986a.). U i t d i t project k w a m e n de onderwijspakketten genaamd " M i c r o - e l e c -

130


tronies F o r A l l ( M F A ) " en het vervolg hierop "Control Pathways" voort. H e t vernieuwende v a n deze lessenseries is de keuze voor een d u i d e l i j k e c o n t e x t (elektronische i n f o r m a t i e v e r w e r k i n g ) en de systeembenadering. D e aandacht is m i n d e r gericht op e l e k t r o nische schakeltechniek en meer op het probleemgericht o p b o u w e n van systemen u i t deelsystemen met een bekende functie. H e t M F A - p a k k e t beperkt z i c h tot de digitale techniek; met behulp van specifiek practicummateriaal i n de v o r m v a n modules met elektronische componenten worden simpele informatieverwerkende systemen gebouwd. Het M F A - m a t e r i a a l is bedoeld voor leerlingen van 11-13 jaar, t e r w i j l C o n t r o l Pathways m i k t op de leeftijdsgroep v a n 1 3 - 1 8 jaar. C o n t r o l Pathways r i c h t z i c h meer o p a l g e m e n e c o n c e p t e n v a n s t u r e n e n regelen ( B e v i s & Page, 1986b.). d. Conclusies van de eerste fase B i j de analyse v a n r a a k v l a k k e n en ook b i j het (beperkte) o n d e r zoek naar relevante o n t w i k k e l i n g e n i n het onderwijs i n b i n n e n en buitenland komt de elektronica naar voren als belangrijkste aandachtsgebied voor integratie v a n natuurkunde en I T . Z o w e l gezien vanuit de betekenis voor informatie-technologie zelf, als vanuit het belang v a n informatietechniek b i j n a t u u r k u n d i g o n derzoek (instrumentele elektronica) is expliciete aandacht voor e l e k t r o n i c a te m o t i v e r e n . B i j automatische m e e t - , s t u u r - en regelsystemen en ook b i j veel communicatiesystemen z i j n e l e k trische signalen de belangrijkste dragers v a n gegevens en w o r den elektronische componenten gebruikt voor signaalaanpassing (filteren, versterken, etc.) en gegevensverwerking (digitale t e c h nieken). A a n d a c h t voor de elektronische bouwstenen z a l l e e r l i n gen helpen de o p b o u w en de w e r k i n g v a n IT-toepassingen te b e g r i j p e n en meer i n het algemeen i n z i c h t te v e r w e r v e n i n belangrijke informaticaconcepten die aan informatiesystemen ten g r o n d s l a g l i g g e n . Daarnaast is het v a n u i t de o n t w i k k e l i n g e n b i n n e n de natuurkunde als d i s c i p l i n e v a n belang dat leerlingen een beeld k r i j g e n v a n moderne onderzoeksmethoden. D a a r o m zullen toepassingen v a n computer-ondersteund meten en c o m p u tational physics i n het c u r r i c u l u m g e ï n t e g r e e r d moeten worden. V a n u i t deze beschouwingen k w a m e n we tot de volgende a f b a k e n i n g v a n twee gebieden voor de i n v o e r i n g v a n IT-aspecten i n het vak natuurkunde i n de bovenbouw v a n h a v o / v w o .

De Beurs e.a.

131

Leerstofgebied 1. E x p l i c i e t e aandacht voor de elektronica als bouwsteen v a n IT-toepassingen b i j : - meet-, stuur- en regelsystemen (technische automatisering); - communicatiesystemen Leerstofgebied 2. D o o r het c u r r i c u l u m heen aandacht voor toepassingen van computer-ondersteund meten en o f f - l i n e c o m p u t e r gebruik. In deze opzet z o u de i n v u l l i n g van gebied 2 slechts een geringe aanpassing v a n het e x a m e n p r o g r a m m a v e r e i s e n e n vooral de o n t w i k k e l i n g van geschikte hardware- en software-instrumenten voor gebruik i n de klas nodig maken. E e n nadere u i t w e r k i n g v a n leerstofgebied 1 maakte een analyse v a n het e l e k t r o n i c a - g e b i e d naar mogelijke inhouden noodzakelijk. Fase II: Inhoudelijke analyse van leerstofgebied 1 In deze fase p r o b e e r d e n we een a n t w o o r d te k r i j g e n op de volgende vragen. 1. Welke e l e k t r o n i c a - i n h o u d e n z i j n van belang b i j de b e s c h r i j v i n g v a n meet-, stuur- en regelsystemen en b i j de b e s c h r i j v i n g v a n communicatiesystemen? 2. Welk niveau van behandeling is het meest geschikt voor het v e r w e r v e n v a n i n z i c h t i n de o p b o u w e n de w e r k i n g v a n informatieverwerkende systemen. H i e r o n d e r volgt een samenvatting van de analyse en de b e l a n g rijkste conclusies. V a n de inhouden die samenhangen met leerstofgebied 1 is een c l a s s i f i c a t i e gemaakt (zie f i g . 2). D e genoemde componenten, systemen e n b e g r i p p e n d i e n e n ter a a n d u i d i n g v a n gebieden, v o l l e d i g h e i d wordt niet gepretendeerd. D e indeling v a n f i g u u r 2 representeert de v e r s c h i l l e n d e niveaus waarop i n f o r m a t i e v e r werkende systemen beschreven kunnen worden. G e o r d e n d naar de mate v a n samenvoeging kunnen drie hoofdniveaus onderscheiden worden. A . H e t componentenniveau. E e n b e s c h r i j v i n g v a n de w e r k i n g van de elektronische basiscomponenten (bijv: diode, transistor, condensator) vanuit de theoretische f y s i c a (vaste stof f y s i c a , theoretische e l e k t r i citeitsleer). B . H e t modulenniveau. E e n beschrijving van de w e r k i n g v a n m o d u l e n (bijv: geheugen, teller, poortschakeling) opgebouwd uit basiscomponenten.

gebied A : werking van componenten

elementaire schakelingen

c o> •o 3 O

x: c c

ca >

werking van modules in termen van componenten

opbouw van systemen u i t modules

ca

ca

U

3

eigenschappen en mogelijkheden van s y s t e men

spoel/ trafo

diode

gelijkrichter

(gestabiliseerde) voeding amplitude detector

condensator

transistor bipo-[ l a i r | FET

transistor

geschakeld

als

signaalversterker

poorten flip-flop adders geheugens tellers

op-amp power-amp S & H ADC analoge MPX

— - - -i

Ifrequentiegedrag, 1regelsneiheid ^nauwkeurigheid J 1

sensoren: NTC LDR

schakelaar

i d a t a - a c q u i s i t i e systeemI j r e g e l systeem ] ^micro-computer i

_

weerstand

ultra-sound

actuatoren: motor lamp luidspreker

samenstel van sensoren en/of a c t u a t o r e n , bv. .verkeerslicht .bestuurbare arm

radio-ontvanger telefoonnet

bandbreedte informatiedichtheid

theoretisch fysisch (vaste s t o f , e l . m a g n e t i s m e )

gebied B: •elektrotechnisch

gebied C : engineering, problem s o l v i n g

experimenteel

fysisch

De Beurs e.a.

133

C . H e t systeemniveau. E e n beschrijving van de w e r k i n g en eigenschappen van automatische systemen (meet- stuur- en regelsystemen) opgebouwd uit modulen. D e v e r s c h i l l e n d e niveaus s l u i t e n op elkaar aan d o o r d a t het o n d e r w e r p v a n b e s c h r i j v i n g v a n een lager n i v e a u steeds de blackbox is van het daarop volgend niveau. O p k l i m m e n d k r i j g e n we steeds m i n d e r inzicht i n de details van het systeem en steeds meer zicht op de vraag hoe onderdelen bijdragen tot de centrale functies van het systeem: het verwerven, v e r w e r k e n , overdragen en gebruiken van informatie. E e n behandeling op niveau A geeft het meeste i n z i c h t i n de fysische principes die ten grondslag liggen aan toepassingen van IT. In het huidige natuurkundeprogramma is de behandeling van de w e r k i n g van een aantal componenten reeds opgenomen en de aandacht hiervoor wordt i n het nieuwe W E N - p r o g r a m m a , ook los van het informaticabeleid, nog uitgebreid. In antwoord op vraag 2 aan het begin van deze paragraaf constateren we echter dat een b e h a n d e l i n g op d i t n i v e a u geen fundamentele i n z i c h t e n oplevert i n de o p b o u w en de w e r k i n g van informatieverwerkende systemen. Behandelingen op niveau B komen we onder andere tegen i n de genoemde P L O N - t h e m a ' s en i n veel duitse en engelse (bijv. N u f f i e l d ) natuurkundemethoden. De b e s c h r i j v i n g op dit niveau heeft een sterk technisch karakter en is het best te k e n m e r k e n als elektrotechniek. D i t vakgebied past naar z i j n aard beter i n het beroepsonderwijs dan i n het algemeen v o r m e n d onderwijs. B o v e n d i e n gaan de o n t w i k k e l i n g e n op dit gebied dermate snel dat kennis snel dreigt te verouderen. V a n u i t i n f o r m a t i c a - o o g p u n t draagt dit soort kennis ook niet b i j tot inzichten i n de w e r k i n g en de o p b o u w van informatieverwerkende systemen. E e n behandeling op niveau C z i j n we alleen tegengekomen b i j sommige M E P - p r o j e c t e n i n Engeland. Het beschrijvingsniveau C biedt naar haar aard de meeste mogelijkheden voor het o v e r d r a g e n v a n belangrijke informaticaconcepten en sluit ook het beste aan b i j een behandeling van moderne meetmethoden (o.a. data-aquisitiesystemen) i n de experimentele fysica. D e systeembenadering wordt als vertrekpunt gekozen; uitgangspunt (Geddes, 1984) is het centrale doel waarvoor het systeem dient. V a n d a a r uit bepaalt m e n de n o o d z a k e l i j k e bouwstenen ( m o d u l e n ) ter v e r v u l l i n g van de functies i n het proces o m dat doel te realise-

134


ren. ' A f d a l i n g ' naar het niveau van elektronische schakelingen is m o g e l i j k , maar niet noodzakelijk o m te begrijpen op w e l k e w i j z e de onderdelen samenwerken o m de systeemdoelen te realiseren. V o o r het onderwijs k a n speciaal practicummateriaal - met de m o d u l e n als bouwstenen - w o r d e n o n t w i k k e l d met behulp w a a r van leerlingen k u n n e n w o r d e n gestimuleerd elementair i n z i c h t te v e r w e r v e n i n de o p b o u w en de w e r k i n g van automatische systemen. D e o n t w i k k e l i n g van belangrijke technische vaardigheden en probleemoplossingsvaardigheden (De V r i e s , 1988) k a n b e v o r derd w o r d e n door het ontwerpen, opbouwen en testen van automatische systemen met behulp van hierop toegesneden p r a c t i c u m materiaal. G e z i e n het bovenstaande hebben we een d u i d e l i j k e v o o r k e u r voor een behandeling op niveau C . We sluiten hiermee aan b i j een o n t w i k k e l i n g die, zoals hiervoor is aangegeven, i n E n g e l a n d is ingezet; ten opzichte van de gevolgde benadering i n de P L O N thema's betekent deze keuze een k o e r s w i j z i g i n g . E e n behandeling op niveau C biedt ook een geschikt kader voor de bespreking van software-instrumenten als functionele modulen van a u t o m a tische systemen. E e n belangrijk concept als 'uitwisselbaarheid van h a r d w a r e - en software-instrumenten' kan i n dit kader aan de orde k o m e n . E e n overzichtslijst (fig. 3) van relevante modulen is ontleend aan een f u n c t i o n e l e analyse (systeembenadering) van a u t o m a tische systemen ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986). Z o a l s eerder is aangegeven gaat het vooral o m de functies van m o d u l e n en b i j v o o r b e e l d niet o m de preciese w e r k i n g van de elektronische schakelingen. E e n en ander leidt tot het volgende overzicht van de belangrijkste concepten. V a n u i t de i n f o r m a t i c a . - D e algemene o p b o u w v a n i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen (meet-, stuur- en regelsystemen). - Informatie, gegevens en signalen; betekenis en v e r s c h i l l e n . - Representatie van gegevens. - A n a l o g e versus digitale signalen. - U i t w i s s e l b a a r h e i d van hardware en software b i j gegevensverwerking. - B e g r i p p e n uit de procesregeling: z w a k k e , sterke terugkoppel i n g , regelsnelheid.

135

De Beurs e.a.

F i g u u r 3:

F u n c t i e s van verschillende m o d u l e n i n automatische systemen

Modulen:

Functies: verwerving van gegevens: (signaalaanpassing tb.v. verwerking)

sensoren signaalconditioneringsschakelingen: signaalversterkers (incl. verzwakken en levelshifting) filters AD-omzetters

verwerking van gegevens:

hardware: digitale bouwstenen: tellers, geheugens, logische schakelingen bouwstenen van een microprocessorsysteem software: stuurtalen software Lb.v. analyse van meetgegevens

bestemming van de verwerkte gegevens.

voor de mens (meetsystemen): Tools (hardware, software) voor opslag en representatie van meetgegevens

(signaalaanpassing tb.v sturing)

voor technische objecten (stuur,- regelsystemen): DA-omzetters, vermogensversterkers actuatoren

V a n u i t de meettechniek. - N a u w k e u r i g h e i d van^systemen

:

resolutie b i j A D - o m z e t t i n g , signaal/ruisverhouding

-

:

traagheid van sensoren, s i g n a a l v e r v o r m i n g b i j versterk i n g , i n v l o e d van b e m o n sterfrequentie bij A D - o m zetting.

:

lineariteit, gevoeligheid, reik.

Frequentiegedrag

- Sensorkarakteristieken

be-

136


V o o r g a a n d e analyse geeft een overzicht v a n de mogelijke i n houden v a n I T die i n het natuurkundeprogramma k u n n e n w o r d e n ondergebracht. D e raadpleging v a n deskundigen had als b e l a n g rijkste doel na te gaan o f onze analyse volledig was. Z i j n vanuit de automatiseringspraktijk en vanuit de p r a k t i j k v a n het natuurwetenschappelijk onderzoek geen e s s e n t i ë l e kenmerken vergeten die voor integratie i n aanmerking komen? O m d a t , ook op g r o n d van literatuuronderzoek, niet w e r d verwacht dat onder de desk u n d i g e n belangrijke verschillen v a n inzicht zouden bestaan over de vraag w e l k e p r a k t i j k c o n t e x t e n relevant z i j n , is i n eerste instantie besloten tot een mondelinge consultatie v a n een r e l a tief k l e i n aantal inhoudsdeskundigen. We hebben twee d e s k u n digen met een experimenteel fysische achtergrond en é é n desk u n d i g e op het t e r r e i n v a n de p r o c e s b e s t u r i n g geraadpleegd (Heijeler, 1986). O p basis van de vooraf toegestuurde analyse en een korte v r a g e n l i j s t is per deskundige een gesprek v a n o n geveer twee uur gevoerd. D e mondelinge consultaties gaven i n grote trekken een bevestiging v a n onze analyse. - B i j een behandeling v a n toegepaste i n f o r m a t i c a i n de e x p e r i mentele fysica en i n de techniek is het belangrijk u i t te gaan v a n e e n s y s t e e m g e o r i ë n t e e r d d e n k k a d e r (Wat is het d o e l ? W e l k e functies moeten daartoe worden v e r v u l d ? U i t welke mogelijkheden k a n dan worden gekozen? H o e is de gekozen m o g e l i j k h e i d technisch te realiseren?). - D u i d e l i j k w e r d hoe automatisering op alle niveaus v a n een fysisch experiment een allesbeheersende r o l speelt. - E e n belangrijk probleem b i j modern fysisch onderzoek is de enorme hoeveelheid gegevens die tijdens het meetproces b e s c h i k b a a r k o m e n . B i j de b e s c h r i j v i n g v a n m o d e r n e m e e t methoden k a n daarom het onderwerp 'datareductie' niet gemist w o r d e n ; d i t z a l zeker i n het r i j t j e b e l a n g r i j k e c o n c e p t e n moeten worden opgenomen. - H i e r m e e samenhangend wordt de toepassing v a n 'intelligente', zeer snelle gegevensverwerkende schakelingen (triggers) steeds belangrijker. D e r e a c t i e s g a v e n geen g r o n d voor- de v e r o n d e r s t e l l i n g dat consultatie van andere deskundigen nieuwe informatie z o u k u n nen opleveren. Besloten is daarom met deze ronde te volstaan. Fase III: Consultatie van onderwijsdeskundigen. In de derde fase v a n het onderzoek was de aandacht gericht op

De Beurs e.a.

137

een nadere vaststelling v a n globale leerdoelen ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986) en de keuze van geschikte contexten. U i t e r a a r d stond deze fase niet los van de voorgaande analyse naar mogel i j k e inhouden. D e o r i ë n t a t i e op de systeembenadering (niveau C ) was mede gemotiveerd vanuit informaticaleerdoelen en de d o e l stelling leerlingen een beeld te geven v a n moderne meetmethoden b i j experimenteel onderzoek. D e keuze van mogelijke c o n texten lag voor een belangrijk deel vast door de b e v i n d i n g e n i n eerdere fasen van het onderzoek. H e t ging hier vooral o m het bereiken van een consensus tussen onderwijsdeskundigen omtrent i n h o u d en doelen en een verdere concretisering van het c u r r i c u lumontwerp. a. Discussiestuk T e r voorbereiding v a n het keuzeproces w e r d een discussiestuk 'Informatietechnologie i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s ' ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986) opgesteld. T e r w i l l e v a n een zo d u i d e l i j k mogelijke b e e l d v o r m i n g werden h i e r i n concrete b l a u w d r u k k e n , inclusief leerstoflijsten, uitgewerkt voor drie alternatieve lessenseries ( E l l e r m e i j e r en H e i j e l e r , 1986). E é n b l a u w d r u k w e r d u i t g e w e r k t v a n u i t de context ' A u t o m a t i s e r i n g v a n processen i n d i v e r s e m a a t s c h a p p e l i j k e sectoren' en een tweede b l a u w d r u k werd uitgewerkt vanuit de context ' L a b o r a t o r i u m automatisering'. In het eerste geval g i n g het o m toepassingen v a n I T uit de d i r e c t e , m a a t s c h a p p e l i j k e o m g e v i n g v a n leerlingen en i n het tweede geval o m toepassingen van I T b i j natuurwetenschappelijk onderzoek. E e n contextkeuze bepaalt voor een belangrijk deel de mate waarin bepaalde leerdoelen en inhouden aan de orde k o m e n . E e n m i d d e n w e g z o u gevonden kunnen worden i n een systematische (context-arme) behandeling van de leerstof; deze benadering is wellicht minder motiverend maar laat ook meer ruimte voor een evenwichtige en volledige behandeling van de onderwerpen. O m deze redenen is ook een b l a u w d r u k uitgewerkt die beoogde een systematische behandeling te geven van modulen die i n meet- en regelsituaties onderscheiden worden. D i t discussiestuk w e r d , vergezeld v a n een vragenlijst, toegestuurd aan 49 personen uit het onderwijsveld. b. Selectie van respondenten A l s v e r t e g e n w o o r d i g e r s v a n het onderwijsveld is gekozen uit

138


v a k d i d a c t i c i , leden van natuurkundecommissies ( W E N , V A L O ) , docenten h a v o / v w o en opleiders/docenten van v e r v o l g o p l e i d i n g e n . B i j de s e l e c t i e v a n respondenten is gezocht naar v e r t e g e n woordigers uit drie groepen. G r o e p A : V a k d i d a c t i c i en personen, die i n beleidsachtige c o m m i s sies zitting hebben vanwege h u n bredere k i j k op het b o v e n b o u w n a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . Z i j behoren niet tot de direct u i t v o e r e n den, zoals docenten. G r o e p B : Docenten natuurkunde, d i e lesgeven i n de b o v e n b o u w van het h a v o / v w o . U i t deze groep z i j n docenten gekozen w a a r van w i j wisten dat z i j enige affiniteit tot het onderwerp v a n het discussiestuk hadden. G r o e p C : O p l e i d e r s e n docenten v a n vervolgstudies, vanwege mogelijke eisen v a n vervolgopleidingen aan het n a t u u r k u n d e p r o gramma. U i t groep A werden 16 personen, uit groep B 14 personen e n uit groep C 19 personen benaderd. c. Respons U i t e i n d e l i j k werden v i a de e n q u ê t e 26 personen geconsulteerd ( M u l d e r , 1986). B i j de groepen A en B was de respons goed (75%, resp. 71%), alleen i n groep C v i e l de respons tegen. E r k w a m e n slechts 5 v a n de 19 e n q u ê t e - f o r m u l i e r e n terug en twee b r i e v e n . M e d e gezien de reacties i n de twee b r i e v e n moet de oorzaak v e r m o e d e l i j k gezocht w o r d e n i n de o n b e k e n d h e i d met het h a v o / v w o n a t u u r k u n d e - c u r r i c u l u m . Overigens bleek u i t de e n q u ê t e - g e g e v e n s en u i t de later gehouden studiedag (Verslag van de studiedag, 1987) niet de wens o m vanuit de v e r v o l g o p l e i dingen i n h o u d e l i j k e eisen te stellen aan het nieuwe deel v a n het programma. Wel verwachten z i j dat leerlingen leren omgaan met de computer, enig i n z i c h t k r i j g e n i n de o p b o u w v a n een meetsysteem en dat de belangstelling voor fysische i n f o r m a t i c a w o r d t gewekt. d. Resultaten van de enquête V a n de drie alternatieve lessenseries w e r d de laatste (systematische behandeling) v r i j algemeen verworpen en de andere twee ongeveer i n g e l i j k mate ondersteund ( M u l d e r en E l l e r m e i j e r , 1986). D e aanhangers v a n "proces a u t o m a t i s e r i n g " k o z e n d i t v o o r n a m e l i j k vanwege het toepassingskarakter, de herkenbaarheid v o o r m e i s j e s , de a a n s l u i t i n g o p v e r v o l g o p l e i d i n g e n w a a r i n

De Beurs e.a.

139

natuurkunde een toepassingsrol heeft, en de maatschappelijke r e levantie. D e " l a b o r a t o r i u m automatisering" w e r d gekozen, omdat het goed aansluit b i j het doen van experimenten, het goed is i n te passen i n de h u i d i g e onderwijssituatie, het een fundamentele aanpak kent, en een mooie natuurkundige i n h o u d heeft. U i t de e n q u ê t e - g e g e v e n s k w a m verder naar voren: - D e centrale d o e l s t e l l i n g , relevante elementen v a n I T i n het n a t u u r k u n d e eindexamenprogramma voor h a v o / V w o te i n t e greren, w e r d breed onderschreven. - M e n was het eens met de keuze voor elektronica boven optica. - A l s I T - c o n t e x t w e r d automatisering v a n centraler betekenis voor het vak natuurkunde geacht dan c o m m u n i c a t i e . V o o r het ontwerp v a n de definitieve b l a u w d r u k waren, naast de eerder b e s p r o k e n contextkeuze, de volgende e n q u ê t e - g e g e v e n s van belang. - Toepassingen als computer-ondersteund meten b i j experimenten achtte men zeer belangrijk en de samenhang met de ( m i c r o ) elektronica en het geautomatiseerd meten en regelen w e r d g e wenst gevonden. - A a n d a c h t voor o f f - l i n e toepassingen vanuit de o n t w i k k e l i n g b i n n e n de natuurkunde als discipline w e r d benadrukt (ook al eerder door de automatiseringsdeskundigen). M e n w i l d e niet dat modelling en simulaties teveel naar de achtergrond zouden verdwijnen. - A a n g e g e v e n w e r d dat het w e n s e l i j k z o u z i j n een opzet i n twee ronden te maken: bijvoorbeeld toepassingsgericht i n havo en 4 v w o en diepgaander i n 5 / 6 v w o . Fase IV: Een blauwdruk voor twee lessenseries D e reacties uit de e n q u ê t e gaven een d u i d e l i j k e ondersteuning voor de keuzen binnen het discussiestuk en een v o o r k e u r voor i n v u l l i n g , volgens de varianten "proces automatisering" en "labor a t o r i u m automatisering". D e belangrijkste v e r s c h u i v i n g e n naar aanleiding v a n de e n q u ê t e - g e g e v e n s waren vooral te v i n d e n i n een grotere aandacht v o o r o f f - l i n e toepassingen b i j n a t u u r wetenschappelijk onderzoek (leerstofgebied 2) en een keuze voor een behandeling i n twee ronden. O p basis v a n deze gegevens w e r d u i t e i n d e l i j k een b l a u w d r u k v o o r twee lessenseries u i t g e w e r k t ( H o g e n b i r k , E l l e r m e i j e r ,

140


M u l d e r en H e i j e l e r , 1986). Deze b l a u w d r u k bevatte een concept leerstoflijst voor havo en voor v w o . Gebaseerd op deze leerstoflijsten w e r d per lessenserie een mogelijke opzet i n v i j f h o o f d stukken geschetst. Naast het geven van een i n h o u d s b e s c h r i j v i n g en een overzicht van de leerdoelen werden per hoofdstuk s u g gesties gedaan voor mogelijke didactische w e r k v o r m e n . We geven een samenvatting van de belangrijkste k e n m e r k e n . I. E e n lessenserie "Technische A u t o m a t i s e r i n g " voor e i n d vierde klas h a v o / v w o (ong. 15 lessen). Kenmerken: - E e n toepassingsgerichte behandeling v a n i n f o r m a t i e t e c h nologie i n klas 4 havo en klas 4 v w o . - M e e t - , s t u u r - en regelsystemen i n toepassingen u i t de d i r e c t e m a a t s c h a p p e l i j k o m g e v i n g v a n leerlingen k o m e n h i e r b i j aan de orde. - L e e r l i n g e n v e r k r i j g e n inzicht i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n informatieverwerkende systemen door het zelfstandig ontwerpen en bouwen van dergelijke systemen vanuit een gegeven probleemstelling. - D e n a d r u k l i g t h i e r b i j meer op ontwerpvaardigheden en probleemoplossing dan op pure kennis. - D e systeembenadering wordt g e ï n t r o d u c e e r d als een handige m a n i e r v a n d e n k e n b i j het begrijpen en ontwerpen v a n systemen. II. E e n lessenserie "Computertoepassingen i n de natuurkunde" voor e i n d v i j f d e / b e g i n zesde klas v w o (ong. 15 lessen). Kenmerken: - D e aandacht is g e r i c h t op I T - t o e p a s s i n g e n b i j m o d e r n natuurwetenschappelijk onderzoek. - Inzicht wordt gegeven i n de o p b o u w en de w e r k i n g v a n data-acquisitie systemen. - B i j de b e h a n d e l i n g v a n meetsystemen w o r d t v o o r een grotere diepgang gekozen; gericht op de functie van het meetsysteem gaat het vooral o m de vraag hoe eigenschappen van systeemonderdelen (modulen) de k w a l i t e i t van het meetresultaat b e ï n v l o e d e n . - Inzicht wordt gegeven i n het meereffect van het gebruik van de computer ( o n - l i n e é n o f f - l i n e ) b i j experimenteel onderzoek, ook i n traditionele meetsituaties i n s c h o o l v e r band.

De Beurs e.a.

141

- B i j o f f - l i n e toepassingen i n schoolverband gaat het vooral o m het gebruik van verwerkingsprogrammatuur en m o d e l l i n g - p a k k e t t e n b i j de analyse van meetgegevens en b i j hypothese toetsing. Deze b l a u w d r u k , met alle a c h t e r g r o n d i n f o r m a t i e over het vooronderzoek, was tenslotte onderwerp van bespreking op een studiedag van 14 j a n u a r i 1987. U i t g e n o d i g d voor deze studiedag waren de geraadpleegde respondenten uit het o n d e r w i j s v e l d en daarnaast ook leden van de resonansgroep i n f o r m a t i c a van het N I V O - p r o j e c t (project N i e u w e I n f o r m a t i e t e c h n o l o g i e i n het Voortgezet O n d e r w i j s ) . Deze studiedag moest de afsluiting v o r men van het vooronderzoek. Het ging nu o m de vraag o f na alle voorbereidingen op basis van deze b l a u w d r u k k e n de gewenste legitimering gerealiseerd was. Doorslaggevend hiervoor was de vaststelling o f de deelnemers aan de studiedag z i c h i n grote l i j n e n konden v i n d e n i n de gekozen opzet en i n de bijbehorende uitgangspunten. V o o r de respondenten van de e n q u ê t e was het zaak te beoordelen o f h u n wensen voldoende v e r w e r k t waren en voor de N I V O - r e s o n a n s g r o e p ging het o m de afweging o f i n het eindresultaat informatica-aspecten voldoende aan bod k w a m e n . O p hoofdpunten k o n deze vraag na de studiedag bevestigend beantwoord worden (Verslag van de studiedag, 1987). D e keuze voor een behandeling op systeem-niveau zoals uitgewerkt i n de b l a u w d r u k k e n w e r d onderschreven, al bleef w e l de vraag open i n hoeverre d i t ten koste zou moeten gaan v a n de elementaire elektronica ( E l e k t r o n i c a maakte op dat moment al deel uit van het W E N - v o o r s t e l ) . De discussies i n werkgroepen tijdens deze studiedag gaven tenslotte geen aanleiding o m de b l a u w d r u k k e n nog op belangrijke punten te w i j z i g e n . V a n a f dit moment k o n gewerkt w o r d e n aan de produktie van concreet lesmateriaal en de toetsing, van vervaardigd materiaal v i a experimenten i n de klas. 4. Nabeschouwing We concluderen dat het bij de onderzoeksopzet genoemde h o o f d doel (het bereiken van een consensus onder deskundigen) redel i j k geslaagd is. De i n de b l a u w d r u k k e n neergelegde opzet en uitgangspunten werden tijdens de studiedag breed ondersteund. De bijbehorende leerstoflijsten ( H o g e n b i r k , E l l e r m e i j e r , M u l d e r en H e i j e l e r , 1986) z i j n v r i j w e l o n g e w i j z i g d door de W E N o v e r genomen i n de paragraaf 'Fysische Informatica'. D e resonans-

142


groep van het N I V O , die tot taak had te bewaken dat i n f o r m a tica-aspecten i n voldoende mate i n het d e e l - c u r r i c u l u m aan de o r d e k o m e n , is geheel a k k o o r d gegaan met de voorgestelde opzet. In het kader van het N I V O - p r o j e c t is op basis van de b l a u w d r u k k e n gewerkt aan de o n t w i k k e l i n g van voorbeeldlesm a t e r i a a l . D i t v o o r b e e l d l e s m a t e r i a a l zal b i n n e n k o r t op de voorloopscholen van de W E N gebruikt worden. De l e g i t i m e r i n g van inhouden door automatiseringsdeskundigen v e r d i e n t n o g w e l een k a n t t e k e n i n g . In het h i e r b e s c h r e v e n onderzoek is gekozen voor een open vraagstelling (gesprekken van ongeveer 2 uur) b i j de benadering van deze deskundigen m.b.t. tot de i n v u l l i n g van het gebied 'automatisering'. O p basis van een aantal richtvragen en een analyse van het onderhavige gebied is gepoogd i n z i c h t te k r i j g e n i n de v o l l e d i g h e i d van de analyse en een antwoord op de vraag o f belangrijke p r a k t i j k c o n t e x t e n gemist w e r d e n . O p g e m e r k t is dat de reacties geen a a n l e i d i n g v o r m d e n het aantal consultaties uit te breiden. De v e r w a c h t i n g leek gerechtvaardigd dat dit geen nieuwe i n f o r matie zou opleveren. D e z e c o n c l u s i e l i j k t nog steeds juist voorzover het de i n breng betreft van deskundigen met een experimenteel fysische a c h t e r g r o n d . A l l e geraadpleegden b e s c h i k t e n over s p e c i f i e k e deskundigheid op het gebied van de experimentele fysica. L o pende het vooronderzoek echter w e r d , mede door de l a n d e l i j k e o n t w i k k e l i n g e n , de aandacht voor meer algemene i n f o r m a t i c a aspecten steeds groter. H i e r d o o r w e r d ook de procesautomatiser i n g als p r a k t i j k - c o n t e x t voor de behandeling van i n f o r m a t i e v e r w e r k e n d e systemen b e l a n g r i j k e r . In dit licht bezien is de raadpleging van slechts é é n persoon met deskundigheid op het bredere terrein van de procesautomatisering aan de magere kant. Daarnaast zou het n u voorliggende c u r r i c u l u m - o n t w e r p achteraf bezien aan kwaliteit kunnen w i n n e n door een confrontatie van de destijds g e ï n t e r v i e w d e inhoudsdeskundigen met het voorlopige eindresultaat. Literatuur B e v i s , G . , C . C o u g h & E . Deeson (1985) B a n electronics f r o m schoolphysics, Phys. Ed., 20, 109-113. B e v i s , G . & M . Page (1986a) M i c r o e l e c t r o n i c s E d u c a t i o n Programme Part 1. Practical Electronics.

De Beurs e.a.

143

B e v i s , G . & M . Page (1986b) M i c r o e l e c t r o n i c s E d u c a t i o n P r o gramme Part 2. Practical Electronics. B u r g e r , W. e.a. (1984) IPN Curriculum Physik. Institut der P a d a gogik der Naturwissenschaften, U n i v e r s i t a t K i e l . Geddes, M . (1984) T h e system approach i n electronic teaching. Phys. Ed., 19, 268-271. E l l e r m e i j e r , A . L . & R . H e i j e l e r (1986) Discussiestuk Informatietechnologie i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s . In: A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 4 - 2 2 , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n Amsterdam. H a m a n n , D . (1983) Computers i n Physics: an O v e r v i e w , Physics Today, 25-32,. H e i j e l e r , R . (1986) Samenvatting van gesprekken met deskundigen Fysische Informatica. In: A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkundeonderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage E , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t van A m s t e r d a m . H o g e n b i r k , P . (1986) E r v a r i n g e n met de thema's E l e k t r o n i c a en A u t o m a t i s e r i n g . In A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage H , Didaktiek Natuurkunde, Universiteit van Amsterdam. Hogenbirk, P., A . L . Ellermeijer, C . H . T . Mulder & R . Heijeler (1986) V o o r s t e l voor Informatica i n het N a t u u r k u n d e - o n d e r w i j s van h a v o - v w o . In A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 2 6 - 4 0 , D i d a k tiek N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m . K l e r k , M . de (1984) E l e c t r o n i c a i n natuurkundelessen, voor havo en v w o , Faraday 20. M u l d e r , C . H . T . & A . L . E l l e r m e i j e r (1986) D e meningen v a n desk u n d i g e n over het discussiestuk: conclusies vanuit de v r a g e n l i j s t . In: A . L . E l l e r m e i j e r ( R e d . ) Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, 2 3 - 2 5 , D i d a k t i e k N a tuurkunde, U n i v e r s i t e i t van A m s t e r d a m . M u l d e r , C . H . T . (1986) R a p p o r t over de situatie m.b.t. v e r g e l i j k baar onderwijs i n E n g e l a n d . In: A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage F , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m . M u l d e r , C . H . T . (1986) D e gegevens u i t de vragenlijst b i j het discussiestuk. In: A . L . E l l e r m e i j e r (Red.), Natuurkunde-onderwijs en informatica, verzamelrapport I T N 8602, bijlage G , D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t van A m s t e r d a m .

144


P l o m p , T j . (1985) O n d e r w i j s en informatietechnologie: situering van het s y m p o s i u m thema. In: Onderwijs en Informatietechnologie. V e r s l a g v a n een S V O / C O D - S y m p o s i u m . D e n Haag: SVO. PSOI-reeks (1986) nr. 12. Aanvullend beleidskader Informatica Bovenbouw havo/vwo. D e n Haag: M i n i s t e r i e v a n O n d e r w i j s en Wetenschappen. R a d e m a k e r , O . (1982) FTI: Fysisch Technische Informatieverwerking. nr.948; intern rapport v a n de vakgroep Systeem- en Regeltechniek, E i n d h o v e n : Technische U n i v e r s i t e i t . Wester, T . J . M . (1986) Microcomputers en Electronica binnen het Natuurkunde Onderwijs aan de grammar-school. M O - B s c r i p tie, D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m . V e r s l a g v a n de studiedag (1987) Natuurkunde-onderwijs en in Informatica, I T N - r a p p o r t 8701, D i d a k t i e k N a t u u r k u n d e , U n i versiteit van A m s t e r d a m . Verster, R a d e m a k e r (1982) Informatica en (technische) natuurkunde. nr.825; intern rapport van de vakgroep Systeem- en Regeltechniek, E i n d h o v e n : Technische U n i v e r s i t e i t . V r i e s , M . de. (1988) Techniek in het Natuurkunde-onderwijs. Proefschrift, E i n d h o v e n : Technische U n i v e r s i t e i t , 4 7 - 5 0 . V o l g e r , J . (1984) Natuurkunde in Nederland, O v e r z i c h t en v o o r uitzicht. V e r k e n n i n g s Commissie N a t u u r k u n d i g Onderzoek. W i n k l e r P r i n s ( 1 9 7 7 ) Technische Encyclopedie, deel 4, A m s t e r d a m : A r g u s E l s e v i e r , p. 117.

Integratie van informatica-onderdelen in het natuurkunde onderwys op bovenbouw havo en vwo

Recommend Documents